En kort historie om atomteori

Det startet med atomisme, som til slutt førte til kvantemekanikk

Atomteori er en vitenskapelig beskrivelse av naturen til atomer og saken som kombinerer elementer fra fysikk, kjemi og matematikk. I følge moderne teori er materie laget av bittesmå partikler kalt atomer, som igjen består av subatomære partikler . Atomer av en gitt element er identiske i mange henseender og forskjellige fra atomer av andre grunnstoffer. Atomer kombineres i faste proporsjoner med andre atomer å danne molekyler og forbindelser.

Teorien har utviklet seg over tid, fra filosofien om atomisme til moderne kvantemekanikk. Her er en kort historie om atomteori:

Atomet og atomismen

Den greske filosofen Demokritos.

Ojimorena / Getty Images

Atomteori oppsto som et filosofisk konsept i det gamle India og Hellas. Ordet 'atom' kommer fra det gamle greske ordet atomer , som betyr udelelig. I følge atomismen består materie av diskrete partikler. Teorien var imidlertid en av mange forklaringer på saken og var ikke basert på empiriske data. På det femte århundre fvt foreslo Demokrit at materie består av uforgjengelige, udelelige enheter kalt atomer. Den romerske poeten Lucretius registrerte ideen, så den overlevde gjennom den mørke middelalderen for senere vurdering.

Daltons atomteori

Vladimir Godnik / Getty Images

Det tok til slutten av 1700-tallet før vitenskapen kom med konkrete bevis på eksistensen av atomer. I 1789 formulerte Antoine Lavoisier loven om bevaring av masse, som sier at massen til produktene av en reaksjon er den samme som massen til reaktantene. Ti år senere foreslo Joseph Louis Proust loven om bestemte proporsjoner, som sier at massene av grunnstoffer i en forbindelse alltid forekommer i samme proporsjon.

Disse teoriene refererte ikke til atomer ennå John Dalton bygget på dem for å utvikle loven om flere proporsjoner, som sier at forholdet mellom massene av elementer i en sammensetning er små hele tall. Daltons lov med flere proporsjoner hentet fra eksperimentelle data. Han foreslo at hvert kjemisk element består av en enkelt type atom som ikke kunne ødelegges på noen kjemisk måte. Hans muntlige presentasjon (1803) og publikasjon (1805) markerte begynnelsen på den vitenskapelige atomteorien.

I 1811 korrigerte Amedeo Avogadro et problem med Daltons teori da han foreslo at like volumer av gasser ved lik temperatur og trykk inneholder samme antall partikler. Avogadros lov gjorde det mulig å nøyaktig estimere atommassene til grunnstoffer og gjorde et klart skille mellom atomer og molekyler.

Et annet betydelig bidrag til atomteori ble gitt i 1827 av botaniker Robert Brown, som la merke til at støvpartikler som flyter i vann så ut til å bevege seg tilfeldig uten kjent grunn. I 1905 postulerte Albert Einstein at Brownsk bevegelse skyldtes bevegelsen av vannmolekyler. Modellen og dens validering i 1908 av Jean Perrin støttet atomteori og partikkelteori.

Plum Pudding Model og Rutherford Model

JESPER KLAUSEN / VITENSKAPENS FOTOBIBLIOTEK / Getty Images

Frem til dette punktet ble atomer antatt å være de minste enhetene av materie. I 1897 ble J.J. Thomson oppdaget elektronet. Han trodde atomer kunne deles. Fordi elektronet hadde en negativ ladning, foreslo han en plommepuddingmodell av atomet, der elektroner ble innebygd i en masse positiv ladning for å gi et elektrisk nøytralt atom.

Ernest Rutherford, en av Thomsons elever, motbeviste plommepuddingmodellen i 1909. Rutherford fant ut at den positive ladningen til et atom og det meste av dets masse var i sentrum, eller kjernen, til et atom. Han beskrev en planetmodell der elektroner gikk i bane rundt en liten, positivt ladet kjerne.

Bohr-modellen av atomet

ismagilov / Getty Images

Rutherford var på rett spor, men modellen hans kunne ikke forklare utslipps- og absorpsjonsspektra til atomer, og heller ikke hvorfor elektronene ikke krasjet inn i kjernen. I 1913 foreslo Niels Bohr Bohr-modellen, som sier at elektroner bare går i bane rundt kjernen i bestemte avstander fra kjernen. I følge hans modell kunne ikke elektroner spiral inn i kjernen, men de kunne gjøre kvantesprang mellom energinivåene.

Kvanteatomteori

vchal / Getty Images

Bohrs modell forklarte spektrallinjene til hydrogen, men utvidet seg ikke til oppførselen til atomer med flere elektroner. Flere funn utvidet forståelsen av atomer. I 1913 beskrev Frederick Soddy isotoper, som var former for et atom av ett grunnstoff som inneholdt forskjellig antall nøytroner. Nøytroner ble oppdaget i 1932.

Louis de Broglie foreslo en bølgelignende oppførsel av bevegelige partikler, som Erwin Schrödinger beskrev ved å bruke Schrödingers ligning (1926). Dette førte igjen til Werner Heisenbergs usikkerhetsprinsipp (1927), som sier at det ikke er mulig å vite både posisjonen og momentumet til et elektron samtidig.

Kvantemekanikk førte til en atomteori der atomer består av mindre partikler. Elektronet kan potensielt finnes hvor som helst i atomet, men finnes med størst sannsynlighet i en atombane eller energinivå. I stedet for de sirkulære banene til Rutherfords modell, beskriver moderne atomteori orbitaler som kan være sfæriske, hantelformede osv. For atomer med et høyt antall elektroner spiller relativistiske effekter inn, siden partiklene beveger seg med en brøkdel av lysets hastighet.

Moderne forskere har funnet mindre partikler som utgjør protonene, nøytronene og elektronene, selv om atomet fortsatt er den minste enheten av materie som ikke kan deles ved hjelp av kjemiske midler.